基于拉莫尔频率测量的弱磁检测系统

㊀２０１７年㊀第１０期

仪表技术与传感器

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ

２０１７㊀Ｎｏ １０㊀

基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７４１８８）收稿日期：２０１６－１１－２４

基于拉莫尔频率测量的弱磁检测系统

胡㊀青，陈永泰，唐㊀静，聂晓芬，赵㊀玥，翟丹丹

（武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉㊀４３００７０）

㊀㊀摘要：针对弱磁检测在国内精度不高，国外又限制出口的问题，设计了一款基于拉莫尔频率测量的弱磁检测电路㊂分析了光泵磁力仪的物理原理，由此得出拉莫尔频率与地磁场强度的关系，以此关系为核心，寻求高精度的拉莫尔频率测量的方法与原理，并基于此方法与原理设计并实现了相关的弱磁检测电路㊂进行实地系统测试和结果分析，通过一组测量数据表明该频率计的稳定度和精度基本满足设计指标㊂

关键词：弱磁检测；拉莫尔频率；光泵磁力仪；地磁场；高精度；稳定度

中图分类号：ＴＰ２１６㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１７）１０－００６７－０３

Ｆｉｅｌｄ⁃ｗｅａｋｅｎｉｎｇＤｅｔｅｃｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＬａｒｍｏｒＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

ＨＵＱｉｎｇ，ＣＨＥＮＹｏｎｇ⁃ｔａｉ，ＴＡＮＧＪｉｎｇ，ＮＩＥＸｉａｏ⁃ｆｅｎ，ＺＨＡＯＹｕｅ，ＺＨＡＩＤａｎ⁃ｄａｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｉｓｎｏｔｐｒｅｃｉｓｅｅｎｏｕｇｈａｎｄｔｈｅｆｏｒｅｉｇｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｘｐｏｒｔｓｏｆｉｔ，ａｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｓｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＬａｒｍｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ⁃ｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＬａｒｍｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｗａｓｄｅｒｉｖｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅ

ｏｐｔｉｃａｌｐｕｍｐｉｎｇｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ．Ａｎｄｔａｋｅｔｈｉｓｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｓｔｈｅｃｏｒｅａｎｄｓｅｅｋｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＬａｒ⁃ｍｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅ⁃ｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｅｌｄｓｙｓｔｅｍｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｒｅｓｕｌｔｓａｎａｌｙｓｉｓ，ａｓｅｔｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅｔｅｒｂａｓｉｃａｌｌｙｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔａｒｇｅｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｌａｒｍｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｏｐｔｉｃａｌｐｕｍｐｉｎｇｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ；ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｓｔａ⁃

ｂｉｌｉｔｙ

０㊀引言

地磁场的测量在预测地震，军事科学，磁性物质勘探，航天航空测量领域都有着广泛的应用，高精度的磁力仪在国内处于研究阶段［１］㊂文中采用自激式铯光泵磁力仪［２］，应用高稳频标，对传统测量方式进行改良结合，取长补短，使其有较高的精度，制作而成的成品具有启动迅速㊁响应快㊁测量精度高等特点，可广泛应用于各种磁场测量领域㊂１㊀铯光泵磁力仪测量原理

铯光泵磁力仪是基于铯原子的塞曼效应制作的，我们通过测定原子在发生对应磁共振效应时的射频频率ｆ，就可以计算出对应磁场的磁感应强度［３］，计算公式如下：

Ｂ＝２πｆ／γ

（１）

对于铯原子，γ／（２π）为３．４９８５７Ｈｚ／ｎＴ，则它与

被测外磁场Ｂ及与拉莫尔跃迁频率ｆ有如下关系：

Ｂ＝ｆ／３ ４９８５７

（２）

基于以上的理论，只要测量出某地铯原子的拉莫尔跃迁频率就可以计算出对应位置的磁场强度［４］㊂

２㊀铯光泵磁力仪的架构

自激式铯光泵磁力仪主要由七大模块组成，分别是：跃迁光子产生模块㊁待测信号预处理模块㊁高稳频标时钟模块㊁拉莫尔频率测量模块㊁显示模块㊁输入模块以及ＧＰＳ定位模块，在这些模块间建立沟通控制关系的是超低功耗单片机ＭＳＰ４３０，如图１所示㊂２．１㊀跃迁光子产生模块

铯原子拉莫尔跃迁光子产生模块［５］是测量系统的起始部分，其结构如图２所示㊂

从图２可以看出该模块物理系统主要的构成部件有铯光谱灯㊁透镜㊁干涉滤光片㊁偏振片㊁１／４波片等㊂其中铯光谱灯的作用是：使用感应线圈激发铯蒸汽使其发出相应波长的单色光；第一片透镜是为了将铯光谱灯所发射出来的任意方向的光变为平行光线，以供

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Ｏｃｔ

２０１７㊀

图１㊀

自激式铯光泵磁力仪总体架构

图２㊀铯原子跃迁光子产生模块

后续装置利用；干涉滤光片过滤掉不需要的（８５２ｎｍ）

线，保留Ｄ１（８９４ｎｍ）线［６］；偏振片仅仅只是选择纵向光或者横向光一种方向的光，可以消除５ｎＴ的方位误差；１／４玻片则可以使相互垂直的光产生１／４对应波长的光程差和圆偏振光；而后面的一个透镜则是为了使吸收泡的光聚集在光检探测器上㊂

其中铯吸收室必须工作在一个恒温适当的温度

（６０ħ左右），因为温度过高会引起自蚀，过低又会引起张弛振荡［７］㊂这里采用ＤＳ１８Ｂ２０进行温度的实时测量，由单片机对其进行监控，将温度始终控制在

６０ħ左右㊂

其主要工作原理是：将铯光谱灯置于高频振荡回路中，它因而会受到电磁场的激励而发出铯光，第一个透镜将此光变为平行模式由后续干涉片处理，滤除Ｄ２线，将剩下的Ｄ１线经过偏振及相关处理传到后面的待测信号处理模块进行相应处理，其中铯原子处于动态平衡中，当有外界磁场作用时，会打破这个平衡，此时需要在光抽运效应下再次达到平衡，通过相关装置测出这时的共振频率，利用公式就可以计算磁场的大小了㊂

２．２㊀待测信号预处理模块

这个模块主要功能是接收拉莫尔跃迁光子，并通过光电转换装置将光信号转换成电信号，并将转换好的电信号通过低通滤波器ＬＰＦ滤除杂波信号，将获得的信号经过放大整形为标准方波后向下一级模块传输，其结构如图１中右上部分㊂

为了保证滤波的效果，这里采用的是由７阶椭圆滤波器组成的在通带以及阻带范围内具有等纹波特性并且逼近效果比较好的低通滤波器，该７阶椭圆滤波器有３个主要陷波点，通过相应的参数调整可以使其在对应的位置实现很好的截止特性，有效滤除被测拉莫尔频率中的杂波分量，使之在测量范围内保持良好的平坦度㊂

２．３㊀高稳频标时钟模块

在此测量系统中，当其稳定度在一定的情况下时，其参考的频标信号频率越高越好，如图１左下部分，这里使用铷原子钟作为其高稳频标，其稳定度可

以达到１０－１２，但是其频率一般只有１０ＭＨｚ，所以需要对其进行倍频处理，在这里考虑到倍频会产生一定的

相位噪声，因此采用了两级倍频措施，先使用低噪声高频场效应管将其倍频到１００ＭＨｚ，然后使用锁相环电路５倍频到５００ＭＨｚ，将此高频信号作为频标㊂２．４㊀拉莫尔频率测量模块

拉莫尔频率测量模块是此次设计的最重要部分，本文采用的是传统的直接测量法，主要包括测频法和测周法，以下对这两种方法做扼要说明㊂

２．４．１㊀测频法

测频法主要是将需要测量的拉莫尔频率输送到

计数器，并由高稳频标信号ｆ１产生标准的参考时间Ｔ１，在标准的参考时间内，由计数器对被测拉莫尔频率信号脉冲进行计数得到计数个数Ｎ１，就可以由频率的相关关系得到被测拉莫尔频率的大小：ｆ＝Ｎ１／Ｔ１＝

Ｎ１ｆ１㊂由于测量频率的闸门信号和计数脉冲信号并不是完全同步的，闸门信号的上升沿和下降沿与被测的拉莫尔频率的上升沿以及下降沿总会存在ʃ１个计数误差，其对应的表达式为

ε１＝ΔＮ／Ｎ１＝ʃ１／Ｎ１＝ʃ１／（Ｔ１ｆ）

（３）

由式（３）可以看出：如果测量的拉莫尔频率越高，其由于计数ʃ１的误差就越小㊂如果选取时间闸门为１ｓ，则当被测拉莫尔频率达到１ＭＨｚ时，可以使其误差控制在１０－６，所以测频法在测量较高频率时其误差比较小㊂２．４．２㊀测周法

测周法和测频法相反，测周法采用被测的拉莫尔

频率作为基准的参考时间来控制对应的计数器，而将高稳频标信号ｆ２送入到计数器进行计数，得到计数数据Ｎ２㊂由频率的对应关系可以得到ｆ＝ｆ２／Ｎ２㊂这种测量的方法同样会存在ʃ１的计数误差，其误差对应的表达式为

ε２＝ΔＮ／Ｎ２＝ʃ１／Ｎ２＝ʃＴ２ｆ

（４）